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共沉淀制备铈掺杂钇铝石榴石荧光粉及其发光性能研究

2020-11-28阅读(528)

共沉淀制备铈掺杂钇铝石榴石荧光粉及其发光性能研究

论文摘要

白光LED具有能耗少、无污染等优点,被喻为第四代照明光源,具有广阔的应用前景。铈掺杂钇铝石榴石（ Ce-doped Yttrium Aluminum Garnet, YAG:Ce ）是制备白光LED的首选荧光粉。湿化学方法与固相法相比,降低了煅烧温度、缩短了煅烧时间。共沉淀法与其他湿化学方法相比,成本低廉、设备简单、易于大规模生产。因此,共沉淀法被广泛应用于制备荧光粉。但前人的研究主要集中在对荧光粉发光性能的分析,未系统探究沉淀工艺对荧光粉理化性能,特别是发光性能的影响。同时,为了满足不同照明环境要求,需要生产不同色坐标和色温的光源,这需要调节YAG:Ce荧光粉的发射波长,而稀土掺杂是一种有效的改变YAG:Ce发射波长的方法。表面包覆是一种常用的荧光粉后续处理工艺,包覆使荧光粉和外界隔离,可以大大改善荧光粉表面结构、有效降低表面缺陷,改进荧光粉的发光性能。本论文工作以共沉淀法制备YAG:Ce荧光粉为目标,研究了沉淀工艺条件对荧光粉理化性能的影响,探讨了稀土掺杂对荧光粉结构和发光性能的影响,并对制备的荧光粉体进行了包覆处理。主要研究内容及结论如下:（1）研究了沉淀剂对前驱体制备的影响,结果表明:碳酸氢铵作沉淀剂制备的前驱体分散性好,煅烧过程中直接转变为YAG相,没有杂相生成。讨论了沉淀剂浓度、沉淀和陈化温度以及陈化时间对化学计量比的影响,所得最佳工艺参数为:碳酸氢铵与总阳离子摩尔比>4,沉淀和陈化在室温下进行,沉淀结束后陈化8小时以上。分析了团聚产生的原因以及控制团聚的工艺措施。结果表明,在乙醇和水的混合溶液中进行沉淀,并在沉淀时加入适量的高分子表面活性剂,采用共沸蒸馏对粉体进行干燥,能改善粉体的分散性。（2）煅烧过程中保持铈为三价对提高粉体发光性能非常重要。因此,对还原方式进行了分析,研究认为,先在空气中合成YAG结构,然后在还原气氛中煅烧,能使铈充分还原。粉体荧光衰减过程由于受到表面效应影响,含有两个指数项,长指数项代表了体相Ce3+的衰减,短指数项反映了表面Ce3+的衰减。研究了不同助熔剂对荧光粉性能的影响。结果表明,BaF2是最合适的助熔剂,最佳添加量为助熔剂与前驱体质量比1/10。对煅烧中的脱水、脱碳、晶化和晶粒生长过程进行了动力学分析,结果表明:脱水过程反应机理遵循Jander方程,对应的活化能为119.3 kJ/mol,Arrhenius频率因子自然对数lnA=24.6 s-1;脱碳过程对应的反应机理按Avrami-Erofeev方程（n=3）,对应的活化能为222.59 kJ/mol,lnA=24.7 s-1。晶化过程的表观晶化活化能为1115.18 kJ/mol。受扩散控制的晶粒生长活化能为226.06 kJ/mol。（3）研究了环境温度、镧系元素共掺杂对YAG:Ce粉体性能的影响。结果表明, YAG:Ce粉体的发光强度随着环境温度升高而减弱。当温度高于150K,开始出现明显的发光热猝灭。YAG:Ce衰减长时间项随着温度升高减小;衰减短时间项,随着温度的升高呈下降趋势,由于受到表面效应的影响中间出现小幅阶跃。Ce 1mol%取代Y时,发光强度达到最大,进一步增加铈的掺杂量导致浓度猝灭的发生。当Gd3+取代Y3+超过50 mol%时,导致GdAlO3相的出现。当La3+取代Y3+超过20 mol%时,YAG结构完全消失,只存在LaAlO3相。随着Gd、La掺杂量的增加,发射波长向长波长移动,发射光谱中红色成分增加,蓝色成分减少。（4）研究了溶胶凝胶包覆Al2O3和固相法包覆SiO2。研究表明,溶胶凝胶法包覆Al2O3最佳工艺为:温度90℃以上;选择HNO3作胶溶剂,最佳浓度为0.025mol/L。两种包覆都没有改变荧光粉的发射波长。Al2O3包覆使荧光粉发射强度略有下降,而SiO2包覆使荧光粉发射强度一定程度上得到提高。本文的主要创新之处在于:以阳离子共沉淀为目标,提出了合理的沉淀工艺参数。探讨了环境温度对荧光粉发光性能的影响。研究表明,随着环境温度的升高,表面Ce3+的衰减时间呈下降趋势,由于受到表面效应的影响中间出现小幅的阶跃。Gd、La掺杂使发射波长向长波长移动,发射光谱中红色成分增加,蓝色成分减少。用室温固相法进行了SiO2包覆,SiO2包覆荧光粉的发射强度一定程度上得到提高。上述研究为YAG:Ce荧光粉体的合成作了有意义的尝试和探讨,并为进一步的研究提供了理论依据。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 固体发光的基本原理
  • 1.2.1 发射光谱和激发光谱
  • 1.2.2 发光强度
  • 1.2.3 发光过程中的能量传递
  • 1.3 白光LED 用荧光粉技术要求
  • 1.3.1 荧光粉的一次特性
  • 1.3.2 荧光粉的二次特性
  • 1.3.3 用于白光LED 的荧光粉
  • 1.4 钇铝石榴石（YAG）荧光粉
  • 1.4.1 YAG 的结构与组成
  • 1.4.2 YAG 的性能
  • 1.5 YAG:Ce 荧光粉的制备方法
  • 1.6 液相化学沉淀
  • 1.6.1 成核
  • 1.6.2 晶体生长
  • 1.6.3 粒子团聚
  • 1.7 粉体表面包覆
  • 1.7.1 表面包覆的机理
  • 1.7.2 有机包覆常用方法
  • 1.7.3 无机包覆常用方法
  • 1.8 本文的研究意义和主要内容
  • 参考文献
  • 第二章 实验研究方法
  • 2.1 试剂
  • 2.2 实验设备
  • 2.3 溶液配制及标定
  • 2.4 前驱体制备
  • 2.5 前驱体的煅烧
  • 2.6 分析测试
  • 2.7 色度学概要
  • 参考文献
  • 第三章 YAG:Ce 前驱体制备工艺研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 沉淀剂的选择
  • 3.3 共沉淀工艺参数的优化
  • 3.3.1 沉淀剂浓度对化学计量比的影响
  • 3.3.2 沉淀和陈化温度对化学计量比的影响
  • 3.3.3 陈化时间对化学计量比的影响
  • 3.4 前驱体分散性的改善
  • 3.4.1 乙醇部分取代水对分散性及发光性能的影响
  • 3.4.2 表面活性剂对分散性及发光性能的影响
  • 3.4.3 干燥工艺对分散性及发光性能的影响
  • 3.5 本章小结
  • 参考文献
  • 第四章 YAG:Ce 前驱体煅烧过程中的结构分析及性能研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 还原方式的选择
  • 4.3 空气中煅烧温度对YAG:Ce 荧光粉理化性质的影响
  • 4.4 空气中煅烧时间对荧光粉理化性质的影响
  • 4.5 还原时间对荧光粉理化性质的影响
  • 4.6 助熔剂对荧光粉理化性质的影响
  • 4.6.1 助熔剂对发光强度的影响
  • 4.6.2 助熔剂对颗粒形貌及粒径的影响
  • 4.6.3 助熔剂对物相的影响
  • 4.7 煅烧过程中动力学研究
  • 4.7.1 粉体脱水和脱碳动力学
  • 4.7.2 晶化过程动力学
  • 4.7.3 晶粒生长动力学
  • 4.8 本章小结
  • 参考文献
  • 3Al5O12:Ce （Ln=Gd,La）荧光粉的结构及其发光特性'>第五章 （Y,Ln）3Al5O12:Ce （Ln=Gd,La）荧光粉的结构及其发光特性
  • 5.1 引言
  • 5.2 YAG:Ce 的吸收光谱
  • 5.3 环境温度对YAG:Ce 发光性能的影响
  • 5.4 最佳铈掺杂浓度
  • 5.5 Gd、La 掺杂对YAG:Ce 结构和发光性能的影响
  • 5.6 本章小结
  • 参考文献
  • 第六章 YAG:Ce 荧光粉表面包覆无机膜的研究
  • 6.1 引言
  • 6.2 氧化铝包膜
  • 6.2.1 溶胶-凝胶工艺参数的研究
  • 6.2.2 粉体分散溶液pH 的选择
  • 6.2.3 氧化铝凝胶的相转变
  • 2O3 包覆过程分析'>6.2.4 Al2O3包覆过程分析
  • 6.2.5 包覆前后形貌的变化
  • 6.2.6 包覆粉体的发光性能
  • 6.3 二氧化硅包覆
  • 6.3.1 工艺路线
  • 6.3.2 包覆粉体的FT-IR 和XRD 图谱
  • 2 包覆过程分析'>6.3.3 SiO2包覆过程分析
  • 6.3.4 包覆前后形貌的变化
  • 6.3.5 包覆粉体的发光性能
  • 6.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第七章 结论与创新
  • 7.1 主要结论
  • 7.2 主要创新
  • 致谢
  • 攻读博士学位期间发表的学术论文及专利

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